Структура и фазовый состав железоуглеродистых сплавов

Структура и фазовый состав сплавов изучаются с помощью диаграмм состояния, изображаемых в координатных осях «состав-температура». Для двухкомпонентных сплавов ось составов изображается в виде отрезка, по концам которого указывают символы компонен­тов (условно А и В). От точки В к точке А содержание компонента А в сплаве возрастает от 0 до 100%, а содержание компонента В уменьшается до 0 от 100 %. В любой точке оси сумма концентраций компонентов А и В равна 100 %. Состав, характери­зуемый точкой / на оси АВ можно определить по правилу отрез­ков, согласно которому содержание компонентов в процентах равно умноженному на 100 отношению длин соответствующих отрезков к длине оси: А = (1В/АВ)Ш; В = (А1/АВ)Ж.

Диаграмма состояния, изображенная на рис. 6.3, характеризует сплав, компоненты которого в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом состоянии образуют меха­нические смеси (не образуют твердых растворов и химических соединений).

Точки t_Am t_B — температуры кристаллизации свободных ком­понентов А и В (буквами Аи В обозначаются также кристаллы этих компонентов в составе структуры сплава); Э — эвтектика — осо­бая структура, представляющая собой механическую смесь одно­временно кристаллизовавшихся из жидкости и поэтому очень мел­ких и тесно перемешанных кристаллов компонентов А и В, содер­жание которых пропорционально соответственно отрезкам ЭВ и A3; е — эвтектическая точка, указывающая на состав эвтектики и температуру ее кристаллизации, начало и конец которой, в отли­чие от других составов, совпадают.

Эвтектика — не фаза, а структурная составляющая (элемент структуры сплава), поэтому ее 100%-е содержание в отличие от компонентов отмечается на диаграмме штриховой линией.

Кривая t_Aet_B — кривая температур начала кристаллизации сплава, или кривая верхних критических точек, называемая ликвидусом (от лат. liquidus — жидкий). Выше ликвидуса сплав находится в расплавленном состоянии (Р — расплав). Линия ced — линия тем­ператур конца кристаллизации сплава, или линия нижних крити­ческих точек, называемая солидусом (от лат. solidus — твердый). Ниже солидуса сплав состоит из твердых кристаллов (А, В и Э). Между ликвидусом и солидусом существуют жидкая (Р) и твер­дые {А и В) фазы одновременно.

Температуры начала и конца кристаллизации сплава / соответ­ствуют точкам а, и Ь,, сплава — точкам а_и и Ь„.

Проведем через точку 2 горизонтальную линию до границ об­ласти t_Aec. Эта линия является осью фазовых составов, по концам которой имеем: слева — 100 % компонента А, а справа (на грани­це с расплавом) — 100 % расплава. Это отмечено буквами А + Р. В данной области из расплава при охлаждении выделяются крис­таллы компонента А. В области et_Bd записано В + Р, так как здесь из расплава выделяется в твердом состоянии компонент В. Точка 2 делит ось фазовых составов А — Р на отрезки А₂ и Р₂, измерив которые, можно определить процентные содержания фаз А и Р в сплаве / при температуре в точке 2.

Характер изменения фазового состава сплава / при понижении температуры можно проследить, строя оси фазовых составов для различных точек на вертикали. Сравнение отрезков в точках a_h 2 и Ь/ показывает, что при понижении температуры от точки Я/до точки Ь[ содержание компонента А увеличивается от 0 (А_а = 0) до [A_b/(A_b + P_fc)]100 ~ 44%, а содержание расплава уменьшается от 100% до [Р_Ь/(А_Ь + Р_й)]100 = 56 %. В точках 4,иЗ имеем: Р_ь = Э₃ и А_ь - А_ъ, т.е. то количество компонента А, которое выделилось из расплава, пока он оставался жидким, существует теперь в твер­дом сплаве, а расплав, который в конце кристаллизации (в точке Ь[) составляет около 56 % сплава, превращается в эвтектику. Со­ответственно в областях АсеЭ и 3edB указано А + Э и В + Э.

Проследим за изменением состава расплава в сплаве // при охлаждении. При температуре t₄ (точка 4) и ниже, вплоть до точ­ки а и, сплав полностью жидкий, поэтому состав расплава и со­став сплава — одно и то же (точка h на оси составов). В точке а_и начинается кристаллизация расплава и из него выделяются пер­вые кристаллы компонента В. В результате частичной потери этого компонента изменяется состав и количество расплава. Для опре­деления состава расплава при температуре t_s из точки 5 проведем горизонтальную прямую линию до границы с расплавом и опус­тим перпендикуляр на ось составов в точку. При более низкой температуре f₆ состав расплава будет характеризоваться точкой g, а в конце кристаллизации (в точке Ьц)он будет соответствовать составу эвтектики. Следовательно, при охлаждении сплава // со­держание компонентов А и В в жидкой фазе (состав расплава) изменяется по кривой а_пе. Аналогично по кривой ар изменяется состав расплава при кристаллизации сплава.

Рассмотрим, как формируются структуры сплава в зависимос­ти от его состава. Изобразим условно кристаллы компонента А треугольниками, а компонента В — квадратиками; тогда структура эвтектики будет представлена смесью треугольников и квадрати­ков, только очень мелких, практически не различимых на фоне крупных кристаллов чистых компонентов. Площади, занимаемые в эвтектике треугольниками (компонентом А) и квадратиками (компонентом В) составляют соответственно 57,5 и 42,5 %, что соответствует отрезкам Эй и АЭ оси составов. Для того чтобы опре­делить структуру сплава /, измерим длины отрезков Э₃ и А_} и по ним вычислим процентное содержание в сплаве компонента А и эвтектики. Получим 44 и 56%. Следовательно, площадь, занятая крупными треугольниками на картинке структуры сплава /, дол­жна составлять 44 % от общей площади, а оставшаяся площадь должна приходиться на долю эвтектики, изображаемой точками. Аналогичным образом, измерив отрезки Э/г и hB (с учетом того, что крупные кристаллы в данном случае — квадратики), получим структуру сплава.

Для решения обратной задачи — определения состава сплава по его структуре — нужно измерить площади, занимаемые элемента­ми структуры, и с помощью диаграммы определить состав сплава.

Структура чистого железа.Чистое железо при охлаждении или нагревании претерпевает ряд превращений в твердом состоянии, которые дают критические точки на кривой охлаждения (рис. 6.4). В интервалах между этими точками железо существует в виде че­тырех модификаций (а-, р~, у- и 8-Fe), из которых y-Fe имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решет­ку с параметром 3,6 А, а остальные — объемоцентрированную кубическую (ОЦК) с параметром 2,8 А. Часто p-Fe и 8-Fe отдель­но не выделяют и рассматривают как а-модификацию. Переход у —> а (911 °С) при охлаждении или ос -> у при нагревании играет главную роль в формировании свойств стали.

Фазы в структуре стали.Углерод и железо в зависимости от температуры образуют жидкий раствор (расплав Р), два твердых раствора — феррит (Ф) и аустенит (А) — и химическое соедине­ние Fe₃C, называемое цементитом (Ц).

Феррит — твердый раствор углерода в а-железе, существую­щий при температурах ниже 911 "С. Растворимость углерода в а-железе мала (не более 0,02 %), так как в плотной решетке а-желе-за углерод может находиться, только замещая атомы железа, что требует высокой энергии.

Аустенит — твердый раствор углерода в у-железе, существую­щий при температурах выше 727 ⁰С. Ниже 727 ⁰С аустенит распада ется на феррит и цементит. В у-железе углерод растворяется до 2,14%. В этом случае углерод внедряется между атомами железа благодаря тому, что у-решетка не так плотно упакована.

Структура углеродистой стали.Структура углеродистой стали при нормальной температуре образована двумя фазами (двумя типами кристаллов): очень мягким и пластичным ферритом и очень твердым и хрупким цементитом. Чем больше в стали углерода, тем больше образуется цементита и меньше феррита и тем выше твердость и ниже пластичность стали. При содержании углерода менее 0,01 % сталь состоит из одного только феррита.

Если сталь содержит 0,8 % углерода, то ее структура представ­ляет собой эвтектоидную (похожую на эвтектику) смесь мелких кристаллов феррита (88%) и цементита (12%), называемую пер­литом (П). При 200-кратном увеличении кристаллы феррита и цементита в перлите практически неразличимы, в то время как кристаллы феррита, выделившиеся ранее из аустенита, являются достаточно крупными. Структура перлита видна только при большом увеличении. При содержании углерода менее 0,8 % структура стали включает в себя перлит и феррит, при содержании углерода более 0,8 % — перлит и цемен­тит.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.Диаграмма состояния Fe — Fe₃C является только частью полной ди­аграммы Fe —С, поэтому углерод как фаза на диаграмме отсут­ствует. В этой части диаграммы цементит, являющийся одной из фаз, играет роль второго компонента, хотя им и не является (вто­рой компонент — углерод). Первый компонент — железо — также не фигурирует на диаграмме, поскольку всегда растворяет в себе некоторое количество углерода и представляет собой твердый ра­створ (феррит или аустенит).

 

Кривая ACD — ликвидус. Выше ликвидуса находится область расплава (Р). Кривая BECF— солидус. Ниже солидуса все сплавы — твердые. В области BESG — это твердый раствор аустенит, а в области ECFKS — механические смеси аустенита и цементита с эвтектикой, которая называется ледебуритом (Л). Сплав (чугун) с содержанием углерода 4,3 % полностью состоит из эвтектики. Он имеет самую низкую температуру плавления (кристаллизации) — 1 147 °С (точка С). При / > 121 "С ледебурит представляет собой механическую смесь мелких кристаллов аустенита и цементита, а при t < 727 °С — перлита и цементита.

Дело в том, что твердый раствор (аустенит) разлагается при охлаждении аналогично жидкому раствору (расплаву) с выделе­нием тех или иных растворенных веществ. Поэтому пересечения линий диаграммы в точках S и С сходны между собой. Точка S называется эвтектоидной точкой, т.е. похожей на эвтектическую точку С. Структура, образующаяся в точке S — это перлит. Кривая GSE — это кривая температур начала разложения аустенита. На участке GS (в области GSP) из аустенита выделяется феррит, а на участке SE (в области SEFK) — цементит (вторичный). Линия PSK — линия температур конца разложения аустенита, или ли­ния эвтектоидных превращений. Ниже этой линии аустенит не существует. Он превращается в перлит.

Рассмотрим процессы при нагревании доэвтектоидной стали, содержащей 0,4 % углерода (точка 1). Пока температура не дос­тигнет 727 °С (линия PS), сталь будет состоять из феррита и пер­лита (Ф + П). При температуре 727 °С (точка 2) перлит (П) пре­вращается в аустенит (А), так как ос-железо переходит в у-железо. В феррите же (Ф) сохраняется а-модификация железа и он оста­ется в стали. При повышении температуры более 727 °С количе­ство феррита уменьшается, он растворяется в аустените. В точке 3 содержание феррита будет 0 %, а содержание аустенита — 100 %.

Сталь в отличие от чугуна при нагревании полностью переходит в фазу аустенита. Дальнейший нагрев приводит к плавлению стали. Первые капли расплава появятся при температуре в точке 4. Затем количество расплава будет увеличиваться, а количество аустенита — уменьшаться, пока он полностью не растворится в расплаве (в точке 5).

При охлаждении сплава все будет происходить в обратном поряд­ке. При очень медленном (равновесном) охлаждении образуется пер­воначальная структура стали, состоящая из феррита и перлита. Та­кую структуру называют равновесной. При быстром охлаждении воз­никают неравновесные (метастабильные) структуры, характеризу­ющиеся высокой твердостью. На этом основана закалка стали.

Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении заэв-тектоидной стали с содержанием углерода 1,2 %. При температуре в точке 8 начинается кристаллизация расплава; из него выделяют­ся кристаллы аустенита. С понижением температуры твердой фазы (аустенита) становится все больше, а жидкой — все меньше. В точ­ке 9 заканчивается переход расплава в аустенит. В виде аустенита сплав существует до точки 10. Начиная с этой температуры аусте­нит разлагается — из него выделяется цементит. Этот цементит называют вторичным (Ц₂), чтобы отличать его от цементита (Ц), выделяющегося в области CDF из расплава и не имеющего огра­ничений в росте и расположении кристаллов. Вторичный цемен­тит выделяется в крайне стесненных условиях, поэтому его крис­таллы являются очень мелкими и располагаются в виде узких про­слоек по границам кристаллов аустенита. Выделе­ние вторичного цементита заканчивается в точке //. Количество выделившегося вторичного цементита в нашем сплаве составляет 6,8 %. Оставшийся к концу разложения аустенит (93,2 %) при тем­пературе 727 °С переходит в перлит, т.е. распадается на смесь мел­ких кристаллов феррита и цементита.